半導体励起レーザーを用いた 小型ライダーの開発 交通電子機械工学課程 2001841 山下 大介

研究背景 ライダーを用いた観測と研究が盛んに行われてきた 本学既存のライダーシステム →設置型 ライダーの特性 →鉛直方向へ観測している 本学既存のライダーシステム　→設置型 ライダーの特性 　→鉛直方向へ観測している 観測ネットワークの重要性 研究背景 （地球温暖化と経済発展に伴う大気汚染など世界的な）環境問題への関心が高り、大気を観測する装置であるライダーを用いた観測や研究が盛んに行われてきました。 本学でも1993年度よりミー散乱ライダーを独自に開発して、ライダーを用いたリモートセンシングによりエアロゾルの鉛直分布を測定してきています。

本学にある既存のライダーシステム これが本学で使用しているライダーの概略図です。本学で使用しているライダーは、本学２号館の8，９階部分を使った大型な設置型ライダーであり持ち運びが不可能です。

研究背景 研究目的 ライダーを用いた観測と研究が盛んに行われてきた 本学既存のライダーシステム →設置型 ライダーの特性 本学既存のライダーシステム　→設置型 ライダーの特性 　→鉛直方向へ観測している 観測ネットワークの重要性 ライダーは、構造上、鉛直方向の時間変化に重点を置いているため、鉛直方向にのみ観測を行っています。 また、現在、世界的にも地上からのライダーを使った観測ネットワークが広がりをみせており、より多くの地点で鉛直方向のエアロゾル分布を観測することにより、さらに広域の大気環境の研究に役立つと考えました。 持ち運びが可能で取り扱いが簡単な小型ライダーがあれば、本学以外の場所でも観測が可能になり、 面白いデータが取れると思いました。 （Click） そこで、 研究目的 本研究ではレーザー装置と望遠鏡等の個々の装置を一つにまとめ、スキャニング可能な持ち運びができる新しい小型ライダーの開発を目指しました。 研究目的 ポータブル小型ライダーの開発

ライダー（LIDAR）とは Lidar (Light Detection And Ranging)の略 レーザーレーダーとも呼ばれる レーザ－光を大気に向けて送出し、観測対象の後方散乱光を受光することで、その距離や濃度を遠隔計測できるリモートセンシングできる手法および装置を呼ぶ ライダーとは ライダーとはLight Detection And Ranging の頭文字をそれぞれとってきた言葉で、レーザーレーダとも呼ばれています。 ライダーとは大気中の雲やエアロゾルの分布を観測する装置のことです。（大まかに言うと、レーザーと受信のための望遠鏡、受信した光を受信する装置などから成ります。）

ライダー原理模式図 この図では、分かり易くするためにレーザーを斜めに取り付けていますが、実際には距離が遠くになるので受信望遠鏡と平行に取り付けるのが一般的です。 出力されたレーザー光は、大気中に存在するエアロゾルと呼ばれるものや、雲、煙などに散乱、吸収を起こします。 そのなかで、後方散乱してきたものが受信望遠鏡に入り、集まってきた光を検出するというのが基本的なライダーの仕組みです。

エアロゾルとは 大気中に浮遊している液体や固体などの微小な粒子状物質 大きさは数 nm～数十 μm 人為起源のエアロゾル 自動車の排ガス、工場排出物 自然起源のエアロゾル 土壌粒子、海塩粒子 体積粒径分布 先ほども述べたように、観測対象となるのは、大気中のエアロゾルや雲などです。 このスライドではエアロゾルについて簡単に説明します。 エアロゾルとは エアロゾルとは気体中に浮遊する微小な粒子のことです。 大きさは，分子やイオンとほぼ等しい0.001μｍ～1nm程度から花粉のような100μm程度まで約5桁にわたる広い範囲が対象となります。 分かりやすい例で言うと、晴れた日にしばしば遠くがかすんで見えるのはエアロゾルが原因です。 春先に中国大陸から日本にやってくる黄砂は東アジア域における典型的な自然対流圏エアロゾルです。 エアロゾルの種類  人為起源のエアロゾルと自然起源のエアロゾルの2種類に分けられます。 人為起源のものには、自動車からの排気ガスや工場からの排煙などがあげられます。 自然起源 自然起源のものには大きく分けて土壌粒子と海塩粒子があります。 土壌粒子は、地面からの砂や誇りが風などにより舞い上げられたりするもので、 海塩粒子は海面で波がぶつかり合ったりするとき生じた泡からが飛び散り大気中に浮遊するものです。 土壌粒子 .　大気中に存在する土壌粒子は、地表面の土壌粒子が風に舞い上げられたものである。しかし、どんな大きさの土壌粒子も大気中に浮遊しているのではなく、地表面すれすれのところでは、摩擦のために風速がほとんどゼロになり、小さすぎると地面の吸着力が強すぎるし、大きすぎると重いために舞い上がらない。 風によって最も動かされやすいといわれるのは、半径が40~50mほどの大きさの粒子であり、これが転がって地表面で小さな粒子に衝突し、それを跳ね上げ、空気中に舞い上がらせるのである。 大気中に土壌粒子として浮遊しているのは、通常、半径0.4~10ｍのシルト（微砂）粒子と呼ばれるものだけであるが、シルト粒子の化学組成は、重量％で示しておおよそ、Ｓi：26％、Al：8％、Fe：4％、Ca：1.4％、K：1.4％、Na：0.6％、Mg：0.5％ていである。（ただし、発生源土壌により、かなり違いがみられる。） 一方、砂漠地帯およびその周辺地域の大気中においては、地表面から舞い上げられた土壌粒子が非常に高密度に存在し、しかもかなり遠方まで長距離輸送される。砂漠起源のエアロゾルとして代表的なのは、サハラ砂漠より発生されるサハラダストや、黄砂などがある。黄砂は、２月から５月にかけて、中国西北部のタクラマカン､ゴビおよびアラシャン砂漠や黄河流域において､寒冷前線直後の吹き出しに伴い発生し、北太平洋全域および北極にまでも輸送される。中国大陸から北太平洋海域へ輸送される土壌粒子量は、年間で約600万～1200万ｔと見積もられるほどで､サハラ砂漠のサハラダストと同様に黄砂もまた北太平洋海底堆積物の主要な供給源となっていると考えられている。以上のように､砂漠起源において大気エアロゾルの長距離輸送の問題は、大気化学のみならず海洋科学および海洋地質学の分野においても､今後の重要な課題となってくることも考えられる。 海塩粒子 海洋性エアロゾルは、海面に生じた泡の破裂から生まれたものである。海塩粒子は、波頭が破砕などの際に、海水中に巻き込まれた空気により生じた多量の泡が、やがて浮かび上がった海面で破裂することで生成され、粒子が発生する。）   粒径 (μm)

ライダー方程式 未知数 未知数 距離２乗補正値 ミー散乱ライダーの受信光強度 Ｐ( R ) ：受信光強度 Ｒ ：距離 Ｙ( R ) ：幾何学的効率因子 Ｔ( R )：大気の透過率 ＰB ：背景光強度 α ：消散係数 次にライダー方程式について説明します。 ライダー方程式とは、受信光の強度P(R)を表す方程式です。 ここで、Rは距離、Ｃは装置定数、β(R)は（大気中の雲粒子濃度に関係する）体積後方散乱係数、 Y(R)は幾何学的効率因子、Ｔ(R)は大気の透過率、 PBは背景光強度を表します。 Y(R)はレーザーが受信望遠鏡視野に含まれる割合を表し、レーザーと望遠鏡が完全に重なった場合をY(R)=1とする装置自身に依存する関数です。 PBはレーザーが発信していない状態で望遠鏡に入射してくる大気からの背景光強度です。 また、Ｔ(R)はαを消散係数とすると、Ｔ(R) はこのように表されます。 この状態では未知数がαとβの2つあるため、ライダー方程式は解くことが出来ません。 （Click） そこで、簡易的にエアロゾルの濃度を調べるために距離二乗補正と言われる方法を行います。 （受信信号から背景光を除去して距離の二乗を掛けた値のことで、 Y(R)=1としたときの量をX (R)とすると、X (R)＝・・・・・と表されます。） 未知数 距離２乗補正値 ⇒簡易的にエアロゾル濃度を調べるために、距離２乗補正値を用いる

本研究で開発したライダーシステム 概略図 次に、実際に本研究で開発したライダーシステムについて説明したいと思います。 全体の模式図 全体の大まかな説明としては、ここからレーザーを発射し、大気中のエアロゾルによって後方散乱された光を受信望遠鏡で受光します。光電子増倍管で光を検出し、信号に変え、フォトンカウンティング法を使い、マルチチャンネルスケーラーにて測定し、データをＰＣにＧＰＩＢ経由で送るのが基本的な構造です。 パルスジェネレーター パルスジェネレーターはレーザーの外部トリガとして用いました。（SR430のレコード長を長くすると、その分内部処理に使われる(busy time)が長くなり、早い繰り返し周波数に追いつけなくなるため、）プレトリガによってレーザーの発振より早く計測器のトリガ信号を出して計測することにより、より正確な背景光による計測数を得るために用いました。 レーザー発信器 これが、レーザー発振器の電源、制御装置です。（レーザーの発振波長は532.1nmでスペクトル線幅は約0.1nmです。） レーザーヘッド レーザーヘッドはここに取り付けられています。ここから緑色のレーザー光が発射されます。レーザーヘッドが熱を持ってしまうため、レーザーヘッド冷却用の専用ヒートシンクユニットと冷却ファンが取り付けられています。 光電子増倍管 高電圧を掛けることによって光電子を検出し、光を電気信号に変換することのできる装置です。 望遠鏡で受信した光を検出し、電気信号に変えています。 マルチチャンネルスケーラーＳＲ４３０ フォトンカウンターとして使用しました。光電子増倍管によって得られた信号をフォトンカウンティング法を使い受信する装置です。また、ＧＰＩＢ接続が可能で、今回はＰＣと接続し、自動計測が可能になりました。

ライダーシステムの仕様 レーザー 小型LD励起Nd : YAGレーザー 波長 532.1 nm 線幅 About 0.1 nm パルス幅 10 ns パルスエネルギー About 20 μJ 繰り返し周波数 1000 Hz　(200 Hz ~ 1000 Hz で可変) 受信光学系 シュミットカセグレン式 望遠鏡口径 200 mm 受光視野角 1 mrad 検出器 光電子増倍管 検出系 単一光子計数法（フォトンカウンティング法） 計測器 マルチチャンネルスケーラー／SR430 距離分解能 24 m レコード長 2048 Bin幅 160 ns レーダーシステムの仕様を分かりやすくするために主な仕様を表にしました。 波長 線幅 パルスエネルギー 本研究では、繰り返し周波数は１０００ Hz に設定しました。 検出系は、フォトンカウンティング法を用いました。 また、その他の使用もごらんのようになっています。

光学系と受信望遠鏡 レーザーパワー 約20 μJ 繰り返し周波数 1000 Hz 中心波長 半値幅 望遠鏡口径 200 mm 視野角　　　　　　　1 mrad 次に光学系と受信望遠鏡について、説明します。 光学系 現在は、スリットには直径φ2.0mmを用いました。望遠鏡の焦点距離が2000mmで、スリットはφ 2.0mm なので視野角はφ＝1mradになります。（将来的にはもっと視野角を狭くしたいため、スリットの直径を小さくしていく予定です。） また、集光レンズは1センチ径で焦点距離は40mmの平凸レンズを用いました。 干渉フィルターは単レンズと光電子増倍管の間に挿入し、中心波長532.05nm、半地幅0.36nmとなっています。 （干渉フィルターは1センチ径用いました。ピークでの透過率は約70%で、中心波長以外の光学的厚さは105以上です。 ） 受信望遠鏡 本研究では受信望遠鏡に直接レーザーヘッド、ビームエキスパンダー、ミラーなどを取り付けており、任意の仰角での計測を可能にしています。ビームエキスパンダーではビーム幅を20倍にしています。このように、受信望遠鏡に直接取り付け、ミラーで二回曲げ、受信望遠鏡の中心から大気へとレーザーが発射される仕組みになっています。実際の写真では、このようになっています。 ここで、レーザー光のアライメントを調節します。 　　中心波長　　　半値幅 　　 532.05 nm 0.36nm

開発したライダーシステムの写真 レーザー発振器 レーザーヘッド パルスジェネレーター 光電子増倍管 経緯台 マルチチャンネル スケーラー このスライドが実際の装置の写真です。 本研究では、２号館８階（粒子物理実験室）の窓を開けて観測しました。 望遠鏡は、経緯台の上に取り付けられていて、モータが２軸取り付けられており、 上下左右に動くので任意の位置での観測が可能になっています。 光電子増倍管 経緯台 マルチチャンネル スケーラー

計測制御プログラムの製作 マルチチャンネルスケーラー／ＳＲ４３０とＰＣとの接続、制御（GPIB) Visual Basic 6.0を使用 次に、マルチチャンネルスケーラーＳＲ４３０をGPIBで接続し、ＰＣで遠隔的に制御、連続計測を可能にするため、ソフトウェアにMicrosoft社のVisual Basic 6.0を使用しました。 これが、作成したプログラムの画面です。左にそれぞれの設定要素が並んでいて、下に保存先の設定、現在時刻やスタート時の時刻などの表示、スタートボタンとストップボタンがここにあります。スタートボタンを押すことでプログラムが開始され、 （Click） 設定可能であった要素が設定不可能になり、グラフがプロットされます。それでは本研究で開発したプログラムのフローチャートについて説明したいと思います。 （Visual Basic とは、Basicを基本としたプログラミング言語で、アプリケーションソフトが容易に開発できるよう工夫された独特の開発環境で、フォームと呼ばれるウィンドウにアプリケーションソフトの構成要素となる部品を張り付け、部品の設定や部品間の関係を指定することでアプリケーションソフトを開発することができるのが特徴的です。）

フローチャート スタート 終了 Unlock Keys 測定画面のLoad Stop ボタン押下 初期化 Measure Loop の 呼び出し Start ボタン押下 次にプログラムのフローチャートの説明をしたいと思います。 MeasureLoopの呼び出し ここで、ストップボタンを押すまでループを繰り返しています。 UnlockKeysロックされていた物も解除されます。 Lock Keys ＳＲ４３０の初期化

Measure Loop Measure Loop スタート Fileを閉じる Fileを開く NO YES Data受信 時間が変わる MeasureLoopでは、fileを開き、データ受信、fileへの書き出し、そしてグラフプロットを行っています。エラーが出たり、データが受信できていないときはそのまMeasureLoopは終了します。 それ以外のときはデータ受信、Fileへ書き出し、グラフプロットをループします。 (Click) プログラムでは、１時間ごとに新しいファイルを作るので、 時間が変わった時には今まで開いていたFileを閉じて、また新しいFileを開きます。 正常処理 グラフにプロット NO Measure Loop 終了

データの解析例 2006年1月28日18時、19時 晴天時、仰角４５° １時間ごとに積算し、横軸を距離の関数したグラフ 2006年1月28日18時、19時 晴天時、仰角４５° 次に、開発したライダーが正しく動作し、データを取得したかを調べるために、受信したデータの解析をしました。 観測したデータは2006年1月28日の午後18時から午後19時までの晴天時、仰角４５°で測定したデータを使用しました。 このグラフは受信したデータをもとに、縦軸を1時間ごとに受信信号強度を積算したもの、横軸を距離換算したものです。 観測は晴天時の日没後に行いました。日没後の方が日中よりも背景光やその他のノイズなどが少なくなり、より遠くの信号を受信できるからです。 グラフでは、距離が遠くに行くほどノイズは大きくなってますが、約２０ｋｍから３０ｋｍの成層圏までの信号を非常に良く受信しているのが分かります。 １時間ごとに積算し、横軸を距離の関数したグラフ

距離二乗補正信号と 大気のみによる散乱強度の比較 2006年1月28日18時、19時 仰角４５° 次に、先ほど述べた距離二乗補正を行いました。 （観測によって得られたデータＰ（Ｒ）から背景光ＰＢを除いて距離Ｒの二乗を掛けた値をグラフにしたものです。） このグラフにラジオゾンデからのデータから計算した532nmにおける大気のみの散乱強度の値を乗せ、グラフで比較しました。 この１８時１９時の値をそれぞれ大気のみの散乱強度の値で割り、ノイズの少ないところの最小値を１として比を取ることで簡易的に散乱比を求めました。

散乱比（Scattering Ratio） 2006年1月28日18時、19時 横軸は高度に変換しています。 散乱比とは、大気分子のみの後方散乱係数を1とした場合に、実際に測定された後方散乱係数の値のことで、この式のように表すことができます。縦軸が散乱比、 １よりも大きい値をとるところでは、エアロゾルがあると考えられます。 以上の結果をふまえて、まとめたいと思います。 βm :大気の後方散乱係数 βa　:エアロゾルの後方散乱係数

まとめ PCによりSR430を遠隔的に操作可能 PCによりSR430を遠隔的に操作可能 データを取得することが出来た 解析の結果を示すことが出来た 解析の結果を示すことが出来た ・     マルチチャンネルスケーラーSR430とPCをGPIBに接続してVisual Basicを用いて遠隔的に制御することが可能になりました。 ・     本研究で使用したライダーシステムを利用し、大気観測をしてデータを受信することが可能になりました。 ・     受信したデータを解析し結果を示すことができました。 以上のことより、 （Click） 初期段階の小型ライダーの開発が成功したといえます 初期段階の成功ということで、今後の課題について述べたいと思います。 初期段階の小型ライダーの開発が 　 成功した

今後の課題 より近距離からのライダーデータ取得のための検討 より近距離からのライダーデータ取得のための検討 Visual Basic を用いた計測、制御の充実 他の機器とPCとの接続 積算プログラム Visual Basic を用いた計測、制御の充実 ・     より近距離からのライダーデータを得るための検討を必要とします。理由として考えられるのは、ビームの広がりや、光学的な問題、もしくはアライメントがしっかり取れているかどうかということが考えられます。観測データにおいて微妙な差が生じてしまっているのも同様の問題でして、アライメントを自動的に取れるようにすることで、これは解決できるものと思われます。 ・     Visual Basic を用いた計測、制御の充実。 本研究では、GPIBインターフェイスを用いてマルチチャンネルスケーラーSR430をPCにより遠隔的に制御しましたが、受信望遠鏡のスキャニング(角度の設定)やパルスジェネレータもGPIB、もしくはRS-232インターフェイスを持ち合わせています。この2つの機器も1台のPCを用いてVisual Basicを利用し同時に遠隔制御できるようにプログラミングすることにより、より便利で使いやくなるでしょう。 （もし、時間が余っていたらClick) ・     現段階では背景光の少ない夜にしか測定が出来きません。背景光の強い昼間にも測定が出来ることによりもっといろいろな観測データを得ることが出来るでしょう。 （・     保存方法がASCIIコードになっているが、1時間当たりのデータ容量が非常に大きくなってしまう。現段階では約１０Ｍにもなってしまいます。ASCIIコードでデータを保存するのではなく、バイナリデータで保存すればデータ容量を節約できるでしょう。 ・     測定したデータを積算し解析するプログラムの整備が必要です。現段階では、Fortran77を用いて積算を行っています。これを、同じくVisual Basicを用いて 積算できるようにしたいです。） 以上で発表を終わります。何か質問はありますか？ 日中測定